Совершенствование технологии жидко-твердой разливки крупных кузнечных слитков из конструкционной стали для ответственных изделий

При затвердевании стальных слитков вследствие неравномерности процесса кристаллизации и различной ее скорости в направлении от периферии к оси, а также изменяющихся условий теплоотвода (температурного градиента по сечению), развивается химическая и физическая неоднородность, которая приводит к анизотропии свойств в крупных кованых изделиях [1,2].

Наиболее сложной задачей при производстве крупных ответственных изделий тяжелого машиностроения, судостроения, энергетики, является получение слитков с однородным химическим составом и равномерным распределением свойств по длине и сечению [3]. Решение этой задачи усложняется с увеличением массы кованых деталей и соответственно слитков для их производства (до 100.500т), что усиливает физико-химическую и структурную неоднородность металла. Этот рост обусловлен постоянным увеличением мощности агрегатов.

Вакуумная обработка, используемая для повышения качества стали, позволяет снизить концентрацию кислорода, водорода, азота и сократить содержание неметаллических включений. Дефекты в крупном слитке в основном возникают вследствие развития процессов ликвации. Различная растворимость элементов в жидкой и твердой фазах приводит к обогащению границы затвердевания слоем ликвирующих примесей (углерод, сера, фосфор и др.). Ликвационные процессы усиливаются с увеличением времени затвердевания и расширением температурного интервала кристаллизации. Образующаяся зональная ликвация приводит к различию свойств металла в объеме слитка.

Развитие химической неоднородности по высоте и сечению крупных слитков приводит к нестабильности механических свойств по концам и в объеме металла заготовок судовых валов и других длинномерных изделий, полученных из них. Это обстоятельство вызывает необходимость примене ния повторных операций термической обработки (закалки, высокотемпературного отпуска) длинномерных изделий с целью усреднения величин характеристик мехсвойств. Не редки случаи, когда эти мероприятия не приносят желаемых результатов. Заготовки по своим механическим свойствам не достигают требований ГОСТов и ТУ, вследствие чего, готовые изделия бракуются.

На Производственном объединении «Баррикады» повторным термическим переработкам подвергается в среднем 15% произведенных судовых валов. В зависимости от диаметра поперечного сечения заготовок длительность этих операций составляет 2−15 суток, а срок сдачи готовых изделий заказчику, с учетом дополнительных переиспытаний механических свойств и чистовой мехобработки, затягивается на 1,5−2 месяца. Кроме того, в результате повторных термических переработок падает производительность термического оборудования. Необходимо также отметить, что невыполнение плана по поставкам отрицательно сказывается на экономической деятельности заводов, так как в случае отказа заказчика от пролонгации сроков договоров на поставку товарной продукции, предприятие-исполнитель несет большие убытки в виде штрафных санкций, превышающих стоимость самих готовых изделий.

Широко применяющиеся до настоящего времени методы воздействия для улучшения свойств внутренних объемов слитка основывались, главным образом, на регулировании внешнего теплообмена (в результате изменения температуры и скорости разливки, усовершенствования конструкции изложницы и прибыльной надставки, тепловой изоляции зеркала металла и др.). Практика показывает, что в настоящее время возможности этих способов воздействия на структуру уже исчерпаны [4, 5].

Следующим этапом решения проблемы качества стального слитка является применение методов внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл [6−9], которые условно разделены на три группы:

— физико-химические воздействия (применение чистой шихты, различные методы рафинирования стали от вредных примесей — перемешивание с. флюсами, синтетическими шлаками, газопорошковыми струямибез кремнистое вакуумуглеродное раскисление, модифицирование высокореакционными добавками и микролегирование);

— физические воздействия (введение в расплав низкочастотной и высокочастотной (ультразвуковой) вибрации, концентрированных источников энергии (электроимпульсная обработка, воздействие взрывом), перемешивание расплава электромагнитными силами, газоимпульсной обработкой, продувкой инертным газами и специальными механическими мешалками, повышение давления при кристаллизации) — воздействия на теплофизические условия затвердевания (регулирование условий кристаллизации с помощью переплавных процессов, обогрева прибыли, введение микрои макрохолодильников, раннее извлечение слитков из изложниц и обдув воздухом, прессование при наличии жидкой сердцевины, отливка слитков в водоохлаждаемые и тонкостенные изложницы, направленная кристаллизация и др.).

Несмотря на большой объем теоретических и экспериментальных исследований эти методы еще не получили широкого промышленного внедрения по ряду существенных причин:

— применение сложного и дорогостоящего оборудования;

— дефицитных и вредных в экологическом отношении материалов;

— незначительная эффективность воздействия в больших объемах кристаллизующегося металла;

— нестабильность получаемых результатов;

— применение материалов с многоэтапным циклом их получения (например, литая дробь, металлические порошки);

В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание мероприятий и методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства, а также не увеличивающих себестоимость стали, трудоемкость ее получения и негативное воздействие на экологию.

Из вышеприведенного анализа литературных источников следует, что проблема повышения качества крупного слитка существует и является, несомненно, актуальной, поскольку повышается спрос и уровень требований к все более крупным деталям агрегатов широкого спектра действия.

Одним из путей решения этой проблемы является разливка с дисперсными инокуляторами [10—15], как метод эффективного воздействия на процесс кристаллизации расплава, поскольку именно в период затвердевания происходит формирование кристаллической структуры, образование ликва-ционной неоднородности и сегрегация неметаллических включений, и других дефектов, которые не устраняются на последующих переделах.

Введение

затвердевших капель в расплав при разливке увеличивает скорость затвердевания, снижает ликвацию примесей, уменьшает усадочную рыхлость [16]. Играя роль внутренних теплостоков, затравки снимают перегрев жидкой стали и интенсифицируют объемное затвердевание, повышают физико-химическую однородность слитков и, таким образом, стабильность механических свойств металла поковок [17−19].

Однако, использование в качестве твердых холодильников готового металлического порошка, обсечки, литой дроби, несмотря на положительный эффект в измельчении макроструктуры, показало их существенный недостаток — увеличение загрязненности стали неметаллическими включениями, в основном оксидами [20−25]. Ограниченность применения данной технологии вызвана рядом серьезных нерешенных проблем, главными из которых являются: необходимость организации специального производства инокуляторов (порошка, дроби), их рассев по фракциям, защита от окисления при хранении, транспортировке и вводе в слиток [26, 27]. Кроме того, имеющиеся способы и устройства к ним для обработки жидкой стали дисперсными инокуляторами не получили широкого промышленного внедрения из-за недостаточно отработанной технологии, сложности эксплуатации и ряда конструктивных недостатков [28].

В настоящее время основные усилия должны быть направлены на изыскание методов, способствующих повышению однородности металла стальных слитков и при этом не усложняющих технологию их производства." .

В связи с этим актуально развитие возможностей технологии разливки в вакууме с управляемым распылением части струи расплава и обеспечением условий затвердевания стальных капель в полете. Эти затвердевшие каплиинокуляторы, введенные в жидкий металл, снизят ликвационную неоднородность в слитке и повысят однородность механических свойств в крупных кованых изделиях ответственного назначения.

Диссертационная работа выполнена в рамках работ: •S проекта Министерства промышленности, науки и технологии 6/35 403 «Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения» (2003 г.) по распоряжению № 3.900/41−68 от 26.03.2003. S гранта Минобразования России 6/422−03 «Разработка металлургической технологии жидко-твердой разливки крупных слитков для ответственных изделий энергетики» (2003^-2004 гг.) по проекту АОЗ— 3.17−343.

Промышленные эксперименты проводились на ФГУП ПО «Баррикады» .

Научная новизна:

1. Выявлены закономерности образования затвердевших капель при жидко-твердой разливке в вакууме крупных кузнечных слитков: размер образующихся капель 0,2−5,0 мм, их температура 600−1300 °С.

2. Параллельным детальным исследованием двух кузнечных слитков стали марки 38ХНЭМФА, массой 24,2 т., установлено повышение доли объемного затвердевания (увеличение объема конуса осаждения в 1,5 раза и измельчение его структуры), что привело к устранению зоны дугообразных трещин и сокращению площади осевой рыхлости в 2 раза.

3. Установлено, что введение 1,5−2,6% твердых частиц при жидко-твердой разливке повышает химическую однородность слитка и поковки в 1,58.

2,0 раза и увеличивает стабильность свойств по длине кованых изделий в 2−3 раза.

4. Для максимального эффекта от разливки слитков с формированием твердой фазы в струе расстояние между направляющей трубой и прибыльной надставкой должно составлять 5 м, а количество инокуляторов 2,6% от массы слитка. На защиту выносятся:

1) Результаты исследования возможностей способа по формированию твердых капель металла в периферийной зоне истекающей в вакууме струи при разливке крупных слитков.

2) Результаты детального исследования характера воздействия инокуляторов на процесс кристаллизации и развитие ликвационной и физической неоднородности.

3) Определено требуемое количество, гранулометрический состав и температура твердых капель для обеспечения 1,5−2,0-кратного снижения ликвационной неоднородности в изделиях.

4) Доработана технология жидко-твердой^разливки в вакууме до уровня, гарантирующего 2−3-кратное повышение стабильности показателей механических свойств по длине и сечению готовых изделий. Практическая ценность. Усовершенствована и внедрена промышленная технология жидко-твердой разливки стальных слитков за счет твердых капель, формирующихся из струи расплава в вакууме, что позволяет снизить ликвационную неоднородность в 1,5−2 раза и повысить стабильность механических свойств по длине и сечению готового изделия в 2,0−3,0 раза. Результаты работы обеспечили производство качественные изделий ответственного назначения с новым уровнем стабильности свойств.

Внедрение на Волгоградском ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии разливки позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20%).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 5 международных конференциях (Донецк, 2001 г.- Липецк, 2001 г.- Москва, 2001 г.- Волгоград, 2002 г.- Темиртау, 2003 г.), российской конференции (Москва, 2002 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2002ч-2004 гг.).

1 Вопросы теории и практики воздействия дисперсных частиц на процесс кристаллизации расплавов.

Теория кристаллизации указывает наиболее перспективное направление в разработке методов целенаправленного управления кристаллизацией металлических расплавов — увеличение числа центров кристаллизации [29−31]. Причем наиболее сильное зародышеобразующее влияние оказывают готовые кристаллы кристаллизующейся фазы вследствие полного смачивания и полного сходства кристаллических решеток [32−35]. I.

1.1 Критерии выбора дисперсных частиц, как зародышеобразующих добавок.

Для выбора дисперсных частиц, как катализаторов зарождения центров кристаллизации при производстве металлов и сплавов, угол смачивания и межфазное натяжение на границе кристалл-расплав, критериями служить не могут, поскольку их количественные значения теоретически установить не представляется возможным без предварительных экспериментальных исследований [36−38]. Поэтому многие авторы [14, 3941] при выборе катализаторов зарождения центров кристаллизации рекомендуют, исходить из принципа кристаллохимического соответствия зародыша и подложки.

П.Д. Данков [23, 42] при количественной оценке данного принципа исходил из условия, что работа образования зародыша на подложке должна включать энергию деформации, вызванную различием параметров их кристаллических решеток. При этом энергия деформации может изменяться от 0 (при образовании зародыша на кристалле из кристаллизующегося расплава) до некоторой максимальной величины, не превышающей работы образования трехмерного зародыша, то есть Е < Ак.

Исходя из закона Гука, П. Д. Данков для энергии деформации получил следующую зависимость:

E = (Gn+Gn)M2a, (1.1) где G\, G2 — модули упругости кристалла при растяжении и сдвигеа — параметр кристаллической решетки.

А/ - величина деформации квадратного зародыша со стороной /. «.

Если взять предельный случай, при Етгх = Ак, то получим:

GH + Gl2)-AI2a = 2-/2.

С учетом, что I =п-а, а А/ = п-Аа, получим выражение для максимального различия параметров решеток подложки и зародыша:

Г. М. Близнаков [52] с учетом работ других авторов [43−48] несколько изменил данное выражение:

Ьа =2 I 2аа lG, t+Ga где у/— работа разрыва связей между двумя соседними частицами- ^&bdquo—работа отрыва одной частицы от подложки- 8 — работа деформации зародыша, отнесенная к одной частицеs = In—.

Ро.

Из выражения (1.4) видно, что Аатах уменьшается с повышением температуры кристаллизации и пересыщения. При постоянном значений данных параметров-Аятах тем больше, чем меньше разность {у/- то есть чем слабее взаимодействие между атомами зародыша, и чем сильнее атомы кристаллизующегося вещества притягиваются подложкой. Приведенные формулы выбора катализатора ввиду отсутствия численных значений многих параметров являются, в основном, качественными и не могут быть использованы на практике. Д. Тернбалл и Б. Воннегат [51, 53], используя.

-{у/-у/п-Е) kTs.

1.4) дислокационную модель межфазной границы подложка-кристалл, нашли зависимость между степенью относительного несоответствия (5 =-ка/а) и переохлаждением AT при гетерогенном зародышеобразовании. На рисунке 1.1 приведен график этой зависимости AT от 8 при гетерогенном образовании центров кристаллизации алюминия.

Авторы [51] полагают, что межфазная энергия будет минимальной, когда наблюдается полное соответствие кристаллических решеток, то есть зародыш когерентно связан с подложкой. В этом случае 8 = ?, где <^=(х-а)/а, а и х — параметры решетки до и после деформации. Если ? то зародыш не когерентен и зарождение кристалла на подложке не происходит или происходит при больших переохлаждениях. При значениях, когда ?-?<0,02 поверхность раздела фаз, разделенная участками дислокаций, имеет, в пределах малых областей, хорошее соответствие кристаллических решеток. Исходя из положения, что в межатомном слое поверхностная энергия, связанная с дислокациями, пропорциональна их плотности, авторы [51] находят межфазное натяжение на границе кристалл-подложка:

1.5) где увеличина, зависящая от типа химической связиа.'{8—£) — величина, зависящая от структурного соответствия решеток.

О Qfll 002 005 Q. Q4 0,05 сГ.

Рисунок 1.1— Зависимость переохлаждения от относительного несоответствия кристаллических решеток.

При подстановке выражения (1.5) в формулу скорости зарождения центров кристаллизации при гетерогенном зародышеобразовании (была получена зависимость AT=J{8) [51].

В случае когерентного образования зародышей:

AT =.

С л ASVJ.

1.6) где Су — константа, зависящая от коэффициента упругости- - удельная энергия плавления.

Для не когерентного образования зародышей получена линейная зависимость AT от 8.

Согласно формуле (1.6), чем меньше AT, тем эффективней катализатор для данного кристаллизующегося вещества. Расчеты, проведенные для льда, хлористого натрия и алюминия в предположении, что зародыши возникают когерентно, как указывают авторы [51], показали хорошую сходимость вычисленного переохлаждения с измеренным.

В работе [53] на основании многочисленных опытов с оловом, цинком, сурьмой, алюминием, медью рекомендуют руководствоваться при выборе эффективных катализаторов зарождения тем, чтобы различие в параметрах плоскостей ориентационного соответствия кристаллических решеток зародышеобразующего агента и кристаллизующейся фазы не превышало 5−10%.

Однако в работе [54] при определении опытным путем переохлаждения на каплях алюминиевых сплавов, содержащих соединения, приведенные в таблица 1.1, оказалось, что заранее теоретически предсказанные авторами [51, 53] слабые катализаторы VC, TiC, TiB2 с большой степенью несоответствия кристаллических решеток с решеткой алюминия дают более сильный эффект зародышеобразования, чем сильные катализаторы. Этот факт подтвердился в работах Д. Е. Овсиенко [40, 49] и Р. У. Раддла [54].

Такое несоответствие теории с опытом показывает, что такой критерий, как физическая характеристика активности катализатора, является обязательной, но недостаточной предпосылкой при подборе дисперсных частиц. Очевидно, что кроме близости параметров кристаллических решеток зародыша и подложки должны учитываться такие факторы, как величина и тип связей, близость геометрии сопрягающихся плоскостей, состояние поверхности и др. Отсутствие надежно апробированных критериев, большое количество факторов, влияющих на эффективность зародышеобразующего воздействия не позволяет провести окончательный выбор оптимальных для каждого сплава порошкообразных добавок без проведения экспериментальных исследований и опытно-промышленной проверки, которые приобретают не только практическое, но и теоретическое значение [55].

Исходя из предложенных критериев, можно заключить, что наиболее эффективными катализаторами являются частицы изоморфные с кристаллизующейся фазой. С этой точки зрения представляет интерес анализ воздействия на кристаллизацию углеродистой стали частиц порошка, которые практически изоморфны к кристаллизующемуся железу, таблица 1.1 [54].

Таблица 1.1.

Соединение металлов Формула соединения Вид кристаллической решетки Степень не соответствия плотноупаков. грани Эффект зародыше-образования.

1 2 3 4 5 карбид ванадия карбид титана борид титана борид алюминия карбид циркония карбид ниобия карбид вольфрама карбид хрома карбид марганца карбид железа VC TiC TiB2 AIB2 ZnC NbC W2C Cr3C2 Mn3C Fe3C кубическая кубическая гексагональная гексагональная кубическая кубическая гексагональная сложная сложная сложная 0,014 0,060 0,048 0,038 0,145 0,086 0,035 сильный сильный сильный сильный сильный сильный сильный слабый слабый отсутствует.

Выводы.

1) Определены наилучшие геометрические параметры литейной оснастки для формирования инокуляторов из струи расплава. Показано, что при вакуумировании металла в струе достигается образование 2,6% инокуляторов.

2) Разработана технология, гарантирующая распыление периферийной зоны струи истекающей в вакууме, с формированием инокуляторов размером 1,6−5,Омм и установлено, что для их полного затвердевания высота падения должна составлять около 5 м.

3) Исследованием кристаллического строения обычного слитка нормальной геометрии из стали 38ХНЗМФА, массой 24,2 т установлено значительное поражение осевой зоны усадочными дефектами: осевой рыхлостьюпоражено 8% осевого темплета, дугообразными трещинами — 2,3%, химическая неоднородность в осевой зоне и высоте тела слитка по углероду составляет 45%, сере 60% и фосфору 50%.

4) Определено, что при жидко-твердой разливке увеличивается объем конуса осаждения, формирующийся по объемному механизму кристаллизации, в 1,5 раза, что уменьшает протяженность осевой рыхлости и сокращает ее площадь в 2 раза, а так же устраняются дугообразные трещины. При этом степень ликвации по высоте тела слитка сокращается по углероду в 1,8 раз, сере и фосфору в 1,2 раза.

5) Установлено, что применение технологии жидко-твердой разливки позволяет в 1,5−2 раза снизить химическую ликвацию, что обеспечивает 2−3 кратное повышение стабильности механических свойств крупных кованых изделий ответственного назначения по длине и сечению.

6) Расчетно-экспериментальным путем установлено требуемое количество инокуляторов, равное 2,4−2,6% от массы слитка, для полного снятия перегрева стали и достижения высокой физико-химической однородности по длине и сечению слитка.

7) Внедрение на Волгоградском ФГУП ПО «Баррикады» усовершенствованной технологии жидко-твердой разливки слитков для изделий ответственного назначения позволило снизить отбраковку заготовок судовых валов, а также уменьшить количество термических переработок готовых изделий, что дало экономический эффект 585,975 тыс. рублей (доля автора 20%).

Заключение

.

Воздействие дисперсных инокуляторов оказывает положительное влияние на структуру, физико-химическую однородность, механические и специальные свойства литого металла. Это однозначно подтверждается результатами исследования поковок из слитков, отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи:

1)в заготовках из слитков новой технологии отливки, в зависимости от расстояния между направляющей трубой и прибыльной надставкой, в среднем в 1,2−2,0 раза повысилась общая химическая однородность;

2) в 1,5−3,0 раза понизился уровень разброса механических свойств по концам ответственных изделий (роторов турбогенераторов, судовых валов и т. д.);

3)при изготовлении поковки из слитка отлитого по новой технологии произошло снижение переходной температуры хрупкости с 16 °C до О °С.

4) установлено, что оптимальные результаты при использовании данной технологии, отливки слитков с инокуляцией струи, достигаются при введении 2,4−2,6% инокуляторов. Данное количество инокуляторов образуется при расстоянии равном 5 м, между направляющей трубой и прибыльной надставкой;